45＃碳钢在选煤厂三种不同水质中的腐蚀行为

田江漫，解京选，张 琦，曲会东

（中国矿业大学 化工学院，徐州221008）

近年来，选煤厂设备的腐蚀问题越来越突出，一些选煤厂刚投产不久，就因为设备的严重腐蚀，导致厂房不得不停产检修或更换设备，给企业的正常生产带来极大不便，并造成巨大经济损失。目前，国内研究多数集中在设备在煤泥水中的腐蚀及磨蚀[1－4]，鲜少研见选煤厂清水（生活用水）、循环水和矿井水（生产系统补加水）之类选煤厂水质源头水引起的设备腐蚀。因此，对选煤厂设备腐蚀与防护的研究还有待进一步发展。目前，国内大多数选煤厂由于建设周期短多采用钢结构[5]。45＃碳钢由于其良好的加工性能和多方位的处理工艺而成为钢材中最常用的加工材料。本工作采用失重法、电化学方法和X射线衍射法，研究了室温下45＃碳钢在选煤厂清水（生活用水）、循环水和矿井水（生产系统补加水）3种水质中的腐蚀行为，旨在为选煤厂设备防腐提供参考。

1 试验

1.1 试样及前处理

试验试样为45＃碳钢，其化学成分见表1。试验前试样用砂纸逐级打磨至800＃，然后用丙酮除油，蒸馏水反复冲洗，快速吹干备用。

表1 45＃碳钢的化学成分 %

1.2 腐蚀介质

腐蚀介质为河南永煤矿区某选煤厂现场采集的清水（生活用水）、循环水以及作为生产系统补加水的矿井水。水质分析见表2。

表2 水质分析

1.3 试验方法

失重法采用静态全浸悬挂法。工作电极的表面积为23.612 8cm2，将经过预处理的碳钢浸泡9 d后，取出除锈称量，并按式（1）计算平均腐蚀速率，试验温度为室温。

式中：vcorr为腐蚀速率，g·m－2·h－1；m0，m1分别为试样腐蚀前后的质量，g；S为试样表面积，m2；t为腐蚀时间，h。

电化学稳态极化曲线在德国IM6（电化学）工作站完成。采用三电极体系，研究电极为45＃碳钢，工作面积为5.510 7cm2，非工作面用环氧树脂封存，电极需在体系中稳定1h后进行测定。铂电极为辅助电极；饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。文中若无特指，电位均相对于SCE。试验在室温下进行，极化曲线的扫描范围为开路电位±500mV，由阴极向阳极扫描，扫描速率为0.5mV·s－1，稳定电压为10mV。

电导率的测定采用上海雷磁DDSJ－308A型电导率仪，选用的电导电极为K＝0.997，α＝0.020。

采用D8ADVANCE型X射线衍射仪（XRD）对腐蚀产物的主要成分进行分析。

2 结果与讨论

2.1 失重法

45＃碳钢在选煤厂清水、循环水和矿井水3种不同水质中的腐蚀速率见图1。从图1可见，45＃碳钢在矿井水中的腐蚀速率最大，在循环水中次之，在清水体系中的腐蚀速率最小。此外，45＃碳钢在3种水质中的腐蚀速率在0.14～0.18g·m－2·h－1，说明碳钢的腐蚀量很大，阳极材料的损耗很大。

2.2 电化学稳态极化曲线法

45＃碳钢在选煤厂清水、循环水和矿井水3种水质中的腐蚀状况如图2、图3、图4、和表3、表4所示。由图2可见，45＃碳钢在3种水质中的阴阳稳态极化曲线的形状大致相同，均未出现钝化区和过钝化区，也没有电流急剧变化的现象。且从图2和表3的数据中均可看出，阴极极化率和阳极极化率相差不大，整个腐蚀过程受阴、阳极混合控制。碳钢在3种水质中发生腐蚀的机理为，碳钢表面化学成分的不均匀性，导致铁素体和渗碳体的标准电极电位不同，在电解质溶液中，金属基体的电位低于渗碳体，在碳钢表面形成了许多微阳极（铁素体）和微阴极（渗碳体），无数个微阴极加速了微阳极的溶解[6]。由表4可见，3种水质均呈弱碱性，通常金属在偏中性或弱碱性水质中阴极反应主要受溶解氧的扩散控制[7－8]，所 以碳钢在3种水质中阴极主要发生的是吸氧腐蚀。

表3 45＃碳钢在选煤厂3种腐蚀介质中的部分电化学参数

表4 选煤厂3种水质的pH

由图2、图3、图4和表3还可看出，45＃碳钢在矿井水中的腐蚀电流密度最大，在循环水中次之，在清水中最小。图4中3种水质的腐蚀速率反应的结果与表3的测试结果存在一致性。

由图3和图4可见，溶液的电导率与碳钢在其中的腐蚀速率存在一定的相关性。试验测得，矿井水和循环水的电导率分别为4.62mS·cm－1和4.64mS·cm－1，两者相差不大，而清水的电导率仅为0.784mS·cm－1，远低于矿井水和循环水。研究表明[9]，溶液的电导率越大，含盐量越高。即循环水和矿井水的含盐量明显高于清水。盐含量高将使溶液中离子浓度增加，溶液的导电性增强，将促进腐蚀反应过程中电子的传递，增大腐蚀电流，加剧腐蚀。这也从一方面解释了图4中循环水和矿井水中碳钢的腐蚀速率明显高于清水中的原因。

图1和图4表明，利用失重法和电化学法对碳钢在3种介质中腐蚀速率的测试结果是一致的，均表现为矿井水对碳钢的腐蚀作用最强，循环水次之，清水的腐蚀作用最弱。碳钢在3种水质中腐蚀程度的差异，除了受溶液电导率的影响，还受到介质离子组成的影响。由表2可见，3种水质中阴离子的组成主要是F－，Cl－，NO3－和SO42－，4种离子均为酸根离子，Cl－的大量存在不但会破坏金属表面的钝化膜，引起孔蚀和缝隙腐蚀，还有可能引起垢下腐蚀。F－具有很高的电负性，且离子半径很小，因而其在溶液中有强烈的离子水合作用，容易引起酸腐蚀。SO42－也是一种侵蚀性离子，不仅会破坏钝化膜引发孔蚀，还会与腐蚀体系中大量存在的Fe2＋反应，诱发酸腐蚀，并且，在厌氧性条件下，硫酸盐还原菌会以硫酸盐为营养物质进行繁殖，其代谢产物将加速碳钢的腐蚀。NO3－的存在主要是增大了溶液的导电性，从而促进阳极金属的腐蚀溶解，介质中的K＋和Na＋不会对碳钢的腐蚀产生明显的腐蚀，而Ca2＋和Mg2＋会与溶液中溶解的CO32－形成沉淀，附着在碳钢表面形成保护膜，抑制碳钢的腐蚀。3种水质中这几种离子浓度含量的差异，以及各种离子之间的相互作用（协同或抑制），最终造成了碳钢在3种水质中腐蚀程度的差异。

2.3 腐蚀产物分析

图5表明，45＃碳钢在选煤厂清水、循环水和矿井水3种水质中的腐蚀产物主要是铁锈，其主要成分为Fe3O4和FeO（OH），这说明整个腐蚀过程中阴极发生去极化剂的还原反应所需要的全部电子基本上都是由阳极碳钢中铁的溶解来提供的，即腐蚀反应的阳极主要进行的是铁失去电子生成Fe2＋。

3 结论

（1）两种方法的测试结果均显示，45＃碳钢在选煤厂3种水质中均有不同程度的腐蚀行为，且其在3种水质中腐蚀程度的排序为：矿井水＞循环水＞清水。同时，全浸失重法的测试结果表明阳极材料的损耗很大。

（2）碳钢在3种水质中的腐蚀属于电化学腐蚀，且整个腐蚀过程受阴、阳极混合控制。阴极主要发生溶解氧的还原反应，且阴极反应速率主要受溶解氧的扩散控制。

（3）碳钢在清水、循环水和矿井水3种水质中的腐蚀速率与水质本身的电导率存在一定的相关性，溶液的电导率越大，说明溶液的导电性越强，越有利于促进腐蚀反应过程中电子的迁移，增大腐蚀电流，加剧腐蚀。

（4）碳钢在3种水质中腐蚀程度的差异，除了受水质电导率的影响，还受到水质中酸根离子和钙镁离子的共同影响。

（5）碳钢在3种水质中的主要腐蚀产物是铁锈，且其主要成分是Fe3O4和FeO（OH），说明阳极反应主要进行的是铁的溶解。

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